基于“三位一體”技術(shù)易自然煤層采煤工作面防自然發(fā)火技術(shù)分析

摘要：文章對本礦在開采己16-17煤層工作面易自然煤層采煤工作面防自然發(fā)火的“三位一體”技術(shù)進(jìn)行了研究。通過“易自燃煤層‘三位一體防治自然發(fā)火體系構(gòu)建”項(xiàng)目，對平煤股份九礦開采己16-17煤層自燃機(jī)理、預(yù)測預(yù)報技術(shù)、防滅火措施等方面開展研究，形成一整套預(yù)測預(yù)報和防滅火體系，更好地為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)。最終研究結(jié)果表明，通過“三位一體”防治自然發(fā)火體系，確定了己16-17煤層自燃預(yù)測預(yù)報敏感氣體和指標(biāo)，構(gòu)建了平煤股份九礦“三位一體”易自燃煤層綜合防火技術(shù)保障體系。

關(guān)鍵詞：三位一體;易自然煤層;采煤工作面;防自然發(fā)火

中圖分類號：TD752.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0137-04

0 引言

平煤股份九礦設(shè)計(jì)能力21Mt/a，經(jīng)產(chǎn)業(yè)升級改造和技術(shù)改造為90Mt/a，開采為甲組煤層和乙組煤層，其中易自燃煤層是己16-17煤層，采取綜采工作面，如果發(fā)生煤層自燃，后果將非常嚴(yán)重?！叭灰惑w”自然發(fā)火防治體系包括自燃機(jī)理、預(yù)測預(yù)報技術(shù)、防滅火措施3個主要模塊[1]。本文主要通過實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測試、現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集、分析，并結(jié)合數(shù)值模擬與理論計(jì)算，構(gòu)建九礦己16-17-22062工作面“三位一體”自然發(fā)火防治體系，制定開采防滅火措施，通過現(xiàn)場應(yīng)用，進(jìn)一步修改、完善防火方案，為今后礦井安全生產(chǎn)提供保障。2019年單年在工作面未發(fā)生一次火災(zāi)的前提下，九礦己16-17-22062工作面安全回收煤炭資源近30萬t，產(chǎn)值超過1.8億元。

1 己16-17-22062綜采工作面概述

1.1工作面開采布置情況

己16-17-22062采面位于己二下延采區(qū)西翼，東起采區(qū)回風(fēng)下山、皮帶下山，西至井田邊界，南部為已回采的己16-17一22041工作面，北部無采掘活動，上部為已回采的己16-17-22061工作面，下部無采掘活動;地面位置位于彈花錘山下部及西部，地面標(biāo)高介于+130 - +160m，開采時對地面建筑物無任何影響;己16-17，一22062采面風(fēng)巷標(biāo)高介于-620 -655m;機(jī)巷標(biāo)高介于-660 - -725m，切眼標(biāo)高介于-620 -660m工作面平均走向長度為60lm，工作面采長126m，煤層平均厚度3m。開采煤層為己16-17煤層，煤層自燃傾向性為容易自燃，據(jù)重慶煤炭科學(xué)總院取樣測定結(jié)果最短發(fā)火期為37d。

1.2工作面地質(zhì)條件

本采面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。該工作風(fēng)巷相鄰邊莊逆斷層，受斷層的影響，工作面次生斷層較多，隱伏小斷層發(fā)育，且工作面煤層賦存不穩(wěn)定，煤層傾角、厚度及走向坡度變化較大，切眼上部15m范圍內(nèi)煤層傾角15°左右，以下煤層傾角在28°左右。結(jié)合己16-17一22062切眼分析，在切眼向前施工14m有一條逆斷層構(gòu)造，給回采帶來一定影響。

2 影響采煤工作面自然發(fā)火因素

在對煤礦進(jìn)行開采的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)某些煤層較其他煤層具有更高的自然傾向性的現(xiàn)象[2]。這些具有自然傾向性的煤一旦發(fā)生氧化、升溫、燃燒，便會引起該采煤工作面上的煤炭發(fā)生自然。從煤炭出現(xiàn)自然現(xiàn)象的必要因素進(jìn)行剖析，影響采煤工作面自然發(fā)火的主要因素如圖1所示。

2.1 采煤方法

易燃煤層采煤工作面的采煤方法影響采煤工作面自燃的主要表現(xiàn)為：煤礦采用的炮采工藝會在采煤的同時在采空區(qū)殘留一定量的殘煤，這些殘煤為易燃煤層采煤工作面的自然發(fā)火提供了基礎(chǔ)。

2.2 回采工藝

易燃煤層采煤工作面的回采工藝影響采煤工作面自燃的主要表現(xiàn)為：煤礦采用的炮采工藝會在采煤的同時將媒體高度破碎化，極大地增加了煤體表面積，進(jìn)而使煤體更多的接觸面與外界空氣實(shí)現(xiàn)接觸，加速了采煤工作面的煤料氧化，一旦采煤工作面的散熱條件不達(dá)標(biāo)時，較容易因升溫過快引起采煤工作面煤料自燃[3]。

2.3 風(fēng)速、風(fēng)量

己16-17-22062下工作面停采階段，己16-17-22062外工作面與采空區(qū)是相互連通的狀態(tài)，己16-17-22062采煤工作面一旦與外界流過的新鮮空氣進(jìn)行接觸，將大大增加采煤工作面煤層自燃的氧氣條件。

2.4 推進(jìn)速度

煤層工作面的推進(jìn)速度快慢不同，則浮煤在采煤工作面的堆放時間和位置也會發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而為采煤工作面的防自然工作帶來威脅。

3 己16-17煤層自燃特征參數(shù)

3.1 測試煤的自燃傾向性

本實(shí)驗(yàn)記錄的是煤層最短的自然發(fā)火期，實(shí)驗(yàn)在絕熱的條件下進(jìn)行，記錄將煤從常溫狀態(tài)下進(jìn)行緩慢氧化、自然升溫再到加速氧化臨界溫度所需要的時間。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出煤樣的最短自然發(fā)火期，通過差示掃描量熱法計(jì)算煤樣的放熱速率[4]。本文利用重慶煤科院實(shí)驗(yàn)室做了煤層自燃傾向性分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

取樣地點(diǎn)：己16-17煤層，己16-17-22062工作面。

3.2.1 煤樣自燃傾向和工業(yè)分試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)煤樣自燃傾向和工業(yè)分析鑒定結(jié)果如表1所示。

3.2.2 煤樣升溫氧化試驗(yàn)結(jié)果

如表2所示為煤樣升溫氧化過程中濃縮度變化及其產(chǎn)物，臨界溫度為1640C[5]。

4 己16-17煤層“三位一體”易自然煤層采煤工作面

防自然發(fā)火體系構(gòu)建

4.1己16-17-22062工作面煤自燃預(yù)測預(yù)報

在煤層開采后，根據(jù)煤自然進(jìn)程中的升溫和釋放氣體等特征，來判別其自燃狀態(tài)并對自燃進(jìn)行預(yù)警的技術(shù)稱之為煤自燃發(fā)火預(yù)報技術(shù)。其在礦井煤層中占有重要地位，是火災(zāi)防治的關(guān)鍵，也是預(yù)防和處理礦井火災(zāi)的基礎(chǔ)。井下煤層火災(zāi)預(yù)報的越及時準(zhǔn)確，所需要耗費(fèi)的人力和物力資源就越少，只要可以做到及時、盡早和準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)報，就可以做到及時的防御，而且能夠提高實(shí)效性，節(jié)約人力和物力，確保安全回采。

4.2 氣體分析的火災(zāi)預(yù)測預(yù)報

經(jīng)重慶煤科院實(shí)驗(yàn)室分析，煤樣在30℃-200℃的氧化過程會有規(guī)律的出現(xiàn)CO和CO2，其濃度隨著煤溫的升高而升高。當(dāng)溫度在120℃是會出現(xiàn)乙烷，當(dāng)溫度在130℃時會出現(xiàn)乙烯，當(dāng)溫度在140℃時會出現(xiàn)丙烷，而且這些氣體的生成量隨著溫度的升高而增多。當(dāng)溫度在70℃時開始出現(xiàn)一氧化碳，在溫度比較低的環(huán)境中生成量比較小，當(dāng)溫度升高到110℃時，一氧化碳就開始增加，這就說明了煤已經(jīng)開始快速氧化了。當(dāng)溫度在130℃時出現(xiàn)乙烯，說明此時煤已經(jīng)和氧氣發(fā)生了比較強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng);當(dāng)溫度在30℃到200℃時沒有出現(xiàn)乙炔，說明了此時的溫度已經(jīng)超過了200℃，如果出現(xiàn)了乙炔就說煤已經(jīng)發(fā)生了強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。因此，一氧化碳可以作為煤樣的指標(biāo)氣體，并且加上乙烯、乙烷和C2H8來輔助。當(dāng)一氧化碳開始出現(xiàn)時說明煤已經(jīng)開始發(fā)生氧化反應(yīng)，當(dāng)乙烯開始出現(xiàn)時說明溫度已經(jīng)大于130℃，當(dāng)乙炔開始出現(xiàn)時說明溫度已經(jīng)大于200℃。煤的自燃階段變化趨勢可以贏一氧化碳來判斷，當(dāng)一氧化碳的上升速度比較慢時說明煤溫小于110℃，反之則大于100℃。

4.3己16-17-22062工作面停采期間的防滅火措施

為搞好工作面停采、回收期間的防火工作，防止工作面自然發(fā)火事故的發(fā)生，確保在撤面期間的安全，特編制本措施。

1）在運(yùn)輸進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，回采切眼以里50m處提前預(yù)埋一條注漿管路，做好注漿準(zhǔn)備工作，根據(jù)現(xiàn)場情況，做好對工作面不同深度采空區(qū)的防火注漿工作。

2）在回風(fēng)隅角每天采集氣樣進(jìn)行色譜分析，做好采空區(qū)內(nèi)的氣體監(jiān)測分析工作。

3）隨時監(jiān)測風(fēng)隅角一氧化碳數(shù)值的變化情況（用監(jiān)測傳感器）

4）在工作面巡檢的瓦斯檢查員在工作時，可以用多功能氣體檢測儀器進(jìn)行檢查，而且需要將瓦斯檢查深入到支架頂部的最里面，然后去檢查一氧化碳、氧氣和甲烷等氣體的濃度，如果一氧化碳含量出現(xiàn)異常，就需要帶回地面進(jìn)行詳細(xì)分析。

5）瓦斯檢查員每班用CO檢定器不間斷檢查工作面回風(fēng)隅角及回風(fēng)流CO濃度，嚴(yán)禁CO超限作業(yè)。當(dāng)回風(fēng)流中CO濃度超過24PPm時，必須停止工作，撤出人員，匯報礦總工程師及礦調(diào)度室采取措施進(jìn)行處理。

6）通風(fēng)隊(duì)每天根據(jù)采空區(qū)氣體變化情況，如果一氧化碳連續(xù)升高或者出現(xiàn)乙烯等標(biāo)志性氣體，就說明煤層有自燃的趨勢，需要盡快采取防護(hù)措施。

7）工作面距停采線50m時，需要減緩煤的氧化速度，可以采取向采空區(qū)噴灑阻化劑，要堅(jiān)持連續(xù)不斷的在工作范圍噴灑。

8）工作面停采、回收期間，及時將工作面風(fēng)量下調(diào)至500_800m3/min，通過現(xiàn)場測試，在保證瓦斯及其它氣體不超限的情況下，盡量減小工作面風(fēng)量。另外，對全礦井通風(fēng)設(shè)施全部檢查、維修一遍，保證全礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定。

9）采停工作結(jié)束后，需要及時的清理干凈工作區(qū)域，盡可能的減少遺煤量，同時要大范圍的噴灑阻化劑。

10）搞好注漿、注氮防火工作。根據(jù)采空區(qū)取樣分析結(jié)果，對不同深度采空區(qū)實(shí)施大流量注漿或注氮，氮?dú)鉂舛葢?yīng)保持在97%以上。

11）盡量加快回收速度。自工作面停采之日起，力爭在30d內(nèi)回收完工作面及兩巷設(shè)備和有關(guān)物料，并封閉采空區(qū)。

12）回收期間工作面進(jìn)風(fēng)隅角使用好擋風(fēng)簾，擋風(fēng)簾要求吊掛嚴(yán)實(shí)，接邦接頂，以減少向采空區(qū)漏風(fēng)。

13）封閉期間安排救護(hù)隊(duì)員每班盯班閉工作。

4.4己16-17-22062工作面綜合防火技術(shù)保障

4.4.1 注氮防滅火技術(shù)

造成自燃的一個主要原因之一就是采空區(qū)漏風(fēng)。采空區(qū)一般是封閉或者半封閉的，有N2進(jìn)入后空間內(nèi)的混合氣體增加，這樣可以減少內(nèi)外壓力差，這樣就可以減少封閉區(qū)域外部向2內(nèi)部漏風(fēng)的現(xiàn)象。圖2所示為氮?dú)夥罍缁饳C(jī)理與作用示意圖。

4.4.2 注氮工藝和方法

己16-17-22062工作面采空區(qū)防火注氮采用埋管注氮工藝。

1）注氮口位置的確定。注氮口位置的確定取決于采空區(qū)氧化帶的寬度[9]。根據(jù)前述工作面氧化自燃帶寬度（7%<中02< 15%）為5l.OOm和以往防火的經(jīng)驗(yàn)，注氮埋管按照40m的步距布置，注氮口埋設(shè)及釋放口位置如圖3所示。

2）埋管注氮工藝。采用錯步埋管法預(yù)埋注氮管路。在進(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)一趟注氮管路，管徑為108mm的無縫鋼管，當(dāng)埋人40m后開始注氮，第二趟管路與第一趟管路的埋設(shè)步距為40m。當(dāng)?shù)诙斯苈仿袢瞬煽諈^(qū)40m時，停止向第一趟管路注氮，開始向第二趟管路注入。同時，埋設(shè)新管路，在采停完成前一直這樣循環(huán)[10]。注氮釋放口應(yīng)高于煤層底板400-500mm，以90°彎管轉(zhuǎn)向采空區(qū)，與工作面保持平行，并用石塊或者木垛等加以保護(hù)。

5 結(jié)語

綜上所述，針對易自燃煤層采取綜采開采工藝，一旦發(fā)生煤層自燃，則損失十分嚴(yán)重。本文構(gòu)建了工作面綜合防滅火技術(shù)體系，主要有：完善了工作面注氮系統(tǒng)，制定了注氮期間安全措施及日常管理措施;完善了工作面注漿系統(tǒng)，確定注漿工藝及注漿措施;編制了己16-17一22062工作面防滅火技術(shù)組織保障措施，有力保障綜合防滅火技術(shù)體系的執(zhí)行。

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作者簡介：鄢耀（1986-），男，漢族，湖北宜昌人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：突出礦井瓦斯治理技術(shù)，自燃煤層防火方面。